António Ricardo Mendes Pereira
Conceção, projeto e desenvolvimento de um
dispositivo tipo “cycling” para reabilitação
de membros inferiores e superiores
António Ricardo Mendes Pereira
Conceção, pr oje to e desen vol vimento de um dispositiv o tipo “cy cling” par a r eabilit ação de membr os inf er ior es e super ior es
Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Mecânica
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Eurico Augusto R. Seabra
Professora Cristina Peixoto Santos
António Ricardo Mendes Pereira
Conceção, projeto e desenvolvimento de um
dispositivo tipo “cycling” para reabilitação
de membros inferiores e superiores
Quero aqui deixar um sincero agradecimento a todos os que contribuíram para a realização deste projeto de dissertação, principalmente pela compreensão, motivação e encorajamento que me transmitiram.
Ao meu orientador, Professor Doutor Eurico Seabra pela disponibilidade e orientação; Á minha família, que é o meu suporte e permitiu que tudo isto fosse possível;
Aos meus amigos, pelo encorajamento e companheirismo;
A todos os que não mencionei, mas que intervieram direta ou indiretamente na realização deste projeto.
A reabilitação é um processo global e dinâmico orientado para a recuperação física e psicológica de pessoas portadoras de deficiência, tendo em vista a sua reintegração social.
No âmbito do trabalho desta dissertação pretende-se projetar e desenvolver um dispositivo para a reabilitação de membros superiores e inferiores que agrupe as melhores características funcionais dos dispositivos tipo cycling existentes no mercado. O equipamento desenvolvido além de agrupar as melhores características funcionais dos dispositivos tipo cycling já existentes no mercado pretende também incorporar novas funções, tais como: a medição de espasmos; possibilidade de execução de programas pré-programados para recuperações de acordo com patologias diferentes e pretende de igual modo melhorar o bio feedback de maneira a criar um incentivo para quem está a realizar os exercícios. Além do descrito anteriormente, ambiciona-se explorar de igual modo os sistemas de cycling motorizados (ativos).
Todo o projeto foi realizado com a preocupação de criar um equipamento de utilização simples e prática, e ao mesmo tempo de interesse económico.
Rehabilitation is a global and dynamic process focused to physical and psychological recovery of people with disabilities, in order to achieve their social reintegration.
In this project of dissertation is intended to develop a device for rehabilitation of upper and lower limbs that combine the best characteristics of the devices type cycling presents in the market. Besides that the new device should be capable of integrate new functions, like: measuring spasms, possibility of running pre-programmed programs for recoveries under different conditions and also intends to improve the bio feedback, in order to stimulate and incentive those who are performing the exercises. In addition to this, this project also aims to explore the active cycling systems.
The entire project was performed with the ambition of creating a device simple and practical to use, and at the same time of economic interest.
Agradecimentos ...i
Resumo……….. ... iii
Abstract………. ... v
Índice……….. ... vii
Índice de Figuras ... xi
Índice de Tabelas ... xvii
Glossário de Símbolos e Abreviaturas ... xix
1.Introdução ... 1 1.1. Objetivos ... 2 1.2. Motivação ... 2 1.3. Estrutura da Dissertação ... 2 2.Estado da Arte ... 5 2.1. Equipamentos Existentes ... 5 2.1.1. Thera-Trainer ... 6
2.1.1.1. Módulo de Reabilitação de Membros Superiores ... 7
2.1.1.2. Módulo de Reabilitação de Membros Inferiores... 9
2.1.1.3. Base de Suporte ... 10
2.1.1.4. Unidade de Controlo e Exibição ... 11
2.1.2. MOTOMed ... 11
2.1.2.1. MOTOMed Viva ... 12
2.1.2.2. MOTOMed Stativ ... 13
2.1.2.3. MOTOMed Duplex ... 14
2.1.2.4. MOTOMed Viva2 Parkinson ... 15
2.1.2.5. MOTOMed Including FES ( Functional Electrical Stimulation) ... 15
2.1.2.6. MOTOMed Letto ... 15
2.1.3.3. I-Motion ... 19
2.2. Elementos de Resistência Mecânica ... 20
2.2.1. Rodas de Atrito ... 21
2.2.2. Freio de Cinta ... 23
2.2.3. Molas de tração ... 24
2.2.4. Motor de Corrente Contínua ... 25
2.3. Dados Antropométricos ... 27 3.Desenvolvimento Conceptual ... 29 3.1. Requisitos/Objetivos ... 29 3.2. Funções ... 30 3.3. Especificações ... 33 3.4. Soluções Propostas ... 34
3.4.1. Ajuste do Raio de pedal/manípulo ... 34
3.4.2. Base de Suporte e Ajuste de Inclinação ... 37
3.4.3. Ajuste de Horizontalidade do Módulo Superior ... 39
3.4.4. Ajuste de altura ... 41
3.4.5. Base Extensível... 43
3.4.6. Acessório para aplicação a Camas Hospitalares ... 44
3.4.7. Acessório para Aplicação do Módulo Superior ... 46
3.4.8. Ajuste da largura do pedal ... 48
3.4.9. Variação da Resistência Mecânica ... 50
3.4.10. Elemento de ligação do Módulo Superior ao Módulo Inferior ... 52
3.4.11. Alteração e fixação do manípulo ... 53
3.5. Equipamentos desenvolvidos ... 54
3.5.1. Equipamentos de reabilitação de membros inferiores ... 55
3.5.2. Equipamentos de reabilitação de membros superiores ... 55
4.5. Elemento de suporte do pedal ... 70
4.6. Pedal ... 72
4.7. Barra de ajuste de altura ... 73
4.8. Ajuste de Inclinação ... 75
4.9. Largura do pedal ... 79
4.10. Componentes “off the shelf” ... 81
4.11. Centro de Massa ... 82
5.Descrição. ... 83
5.1. Instruções de Utilização ... 87
5.1.1. Ajuste do Raio Pedal/Manípulo ... 87
5.1.2. Ajuste de altura ... 87
5.1.3. Ajuste de Inclinação ... 88
5.1.4. Ajuste da distância horizontal do módulo superior ... 88
5.1.5. Aplicação do módulo superior a mesas ... 89
5.1.6. Aplicação do módulo superior para apoio a acamados ... 90
6.Conclusão ... 91
Referências………… ... ………95
Anexos……….. ... 97
Anexo A – Tabela de Comparação ... 98
Anexo B – Mapa Morfológico ... 101
Anexo C – Dimensões da cadeira de rodas ... 104
Anexo D – Figuras de apoio aos Dados Antropométricos... 106
Anexo E – Dados sobre o peso da população ... 108
Anexo F – Extrato Catálogo Optibelt... 110
Anexo G – Determinação dos coeficientes ... 117
Figura 1: a) Thera-Trainer Tigo 502; b) Thera-Trainer Tigo 510. (Adaptado de [4]) ... 6
Figura 2 - Thera-Trainer Veho 512. (Adaptado de [4]) ... 6
Figura 3 - Módulo de Reabilitação de Membros Superiores. (Adaptado de [5]) ... 7
Figura 4: a) Variação de altura; b) Variação de inclinação; c) Variação da distância horizontal (direita). (Adaptado de [5])... 7
Figura 5: a) Thera-Trainer Tigo 528; b) Thera-Trainer Tigo 502. (adaptado de [4]) ... 9
Figura 6: a) Pedaleira com velcro; b) pedaleira com almofada. (Adaptado de [5]) ... 9
Figura 7 - Sistema de fixação de pernas. (Adaptado de [5]) ... 10
Figura 8: a) Base plana; b) Base com rodas. (Adaptado de [5]) ... 10
Figura 9: a) MotoMed viva1; b) MotoMed viva2; c) MOTOmed gracile; d) MOTOmed Letto. (Adaptado de [6]) ... 12
Figura 10: a) MotoMed Viva1; b) MOTOmed Viva2. (Adaptado de [6]) ... 12
Figura 11: a) Módulo de Reabilitação de Membros Superiores para MotoMed Viva1; b) para MOTOmed Viva2. (Adaptado de [6]) ... 13
Figura 12 - Movimento de rotação e ajuste horizontal. (Adaptado de [6]) ... 13
Figura 13: a) MotoMed Stativ1; b) MOTOmed Stativ2. (Adaptado de [6]) ... 14
Figura 14 - MotoMed Duplex. (Adaptado de [7]) ... 14
Figura 15 - MotoMed including FES. (Adaptado de [8]) ... 15
Figura 16: a) MotoMed Letto1; b) MOTOmed Letto2. (Adaptado de [6]) ... 16 Figura 17: a) Active Passive Trainer APT1 para membros superiores; b) para membros inferiores.
Figura 19: a) Unidade de Controlo APT1; b) Unidade de Controlo APT5. (Adaptado de [9]) .... 19
Figura 20: I-motion com cadeira a); com cadeira de rodas b). (Adaptado de [9]) ... 20
Figura 21 - Esquema de Forças ... 20
Figura 22 - Esquema de forças nas rodas de atrito ... 21
Figura 23 - Freio de Cinta ... 23
Figura 24 - Mola de Tração. (Adaptado de [18]) ... 24
Figura 25: a) Seção A; b) seção B. (Adaptado de [19]) ... 25
Figura 26 - Vista esquemática de uma máquina de corrente contínua de 2 polos. (Adaptado de [21]) ... 26
Figura 27 - Fases de desenvolvimento do projeto ... 29
Figura 28 - Árvore de objetivos ... 30
Figura 29 - Diagrama de funções... 31
Figura 30 – Solução 1... 34
Figura 31: a) Solução 2; b) Solução 3. ... 35
Figura 32 – Solução 4... 35
Figura 33 - Régua graduada ... 36
Figura 34 – Solução 5... 37
Figura 35 – Solução 6... 38
Figura 39: a) Perfil quadrangular; b) Tubo; c) Perfil de aperto duplo. ... 42
Figura 40 - Base extensível com a) formato quadrado; b) formato triangular. ... 43
Figura 41 – Solução 14 ... 43
Figura 42: a) Solução 15; b) Solução 15 utilização. ... 45
Figura 43 – Solução 16 em extensão mínima e máxima. ... 45
Figura 44 - Solução 16 em utilização. ... 45
Figura 45 – Solução 17. ... 47 Figura 46 – Solução 18 ... 47 Figura 47 – Solução 19. ... 49 Figura 48 – Solução 20. ... 49 Figura 49 - Solução 21. ... 50 Figura 50 - Solução 22. ... 51 Figura 51 – Solução 24 ... 52 Figura 52 – Solução 25 ... 53
Figura 53 - Sistema de aperto: a) posição de aperto; b) posição de alívio. ... 54
Figura 54 - Variação de largura: a) posição mínima; b) posição máxima. ... 54
Figura 55: a) Modelo Inferior particular; b) Modelo Inferior; c) Modelo inferior com variação de largura do pedal. ... 55
Figura 56: a) Módulo superior uso particular; b) Modulo superior uso em instituições. ... 56
Figura 59 - Perfil de correia tipo PK. (Adaptado de [29]) ... 60
Figura 60 - Sistema de transmissão ... 63
Figura 61 - Diagrama de corpo livre do veio ... 63
Figura 62 - Diagrama de esforços transversos ... 64
Figura 63: a) Diagrama de momentos fletores; b) Diagrama de momentos torsores. ... 64
Figura 64: a) Base de apoio do módulo superior; b) Base de apoio em situação crítica. ... 66
Figura 65 - Cargas e restrições aplicadas na base de apoio. ... 67
Figura 66 – Resultados obtidos da simulação para um peso do módulo superior de 15 Kg. .. 67
Figura 67 - Elemento de suporte do manípulo. ... 68
Figura 68 - Cargas e restrições aplicadas no componente de suporte do manípulo. ... 68
Figura 69 - Resultados obtidos da simulação de deformação para uma força de 65 N. ... 69
Figura 70 - Resultados obtidos da simulação de tensões para uma força de 65 N. ... 69
Figura 71 – Situação de estudo. ... 70
Figura 72 - Cargas e restrições aplicadas no componente de suporte do pedal... 71
Figura 73 - Resultados obtidos da simulação para uma força aplicada no rolamento de 279 N. ... 72
Figura 74 - Cargas e restrições aplicadas no pedal. ... 72
Figura 75 - Resultados obtidos da simulação para uma força aplicada no pedal de 279 N. .... 73
Figura 79: a) Posição de ajuste 1; b) posição de ajuste 2; c) posição de ajuste 3. ... 76
Figura 80 - Cargas e restrições aplicadas no elemento de ajuste de inclinação. ... 76
Figura 81 - Resultados da simulação para posição de ajuste 1. ... 77
Figura 82 - Resultados da simulação para posição de ajuste 2. ... 77
Figura 83 - Resultados da simulação para posição de ajuste 3. ... 77
Figura 84 – Resultado da simulação de tensões no tubo em “C” com diâmetro de seção de 10 mm... 78
Figura 85 – Resultado da simulação de tensões no tubo em “C” com diâmetro de seção de 12 mm... 79
Figura 86 – Cargas e restrições aplicadas sobre o conjunto de variação de largura do pedal. 79 Figura 87 - Resultado da simulação de deformações e tensões no elemento de suporte da variação de largura do pedal... 80
Figura 88 – Centro de massa. ... 82
Figura 89 - Vista explodida do equipamento. ... 83
Figura 90 – Vista explodida 1. ... 84
Figura 91 - Vista explodida 2. ... 85
Figura 92 - Vista explodida 3 ... 86
Figura 93 – Sequência para o ajuste do raio do pedal ou manípulo... 87
Figura 94 - Sequência para o ajuste da altura do módulo de reabilitação dos membros superiores. ... 88
Figura 97 – Sequência de montagem do módulo de reabilitação de membros superiores em mesas. ... 90 Figura 98 - Sequência de montagem e aplicação do módulo de reabilitação para apoio a
Tabela 1 – Manípulos de diferentes utilidades. (Adaptado de [5]) ... 8
Tabela 2 - Unidade de controlo e exibição. (Adaptado de [5]) ... 11
Tabela 3 - Acessórios MOTOmed. (Adaptado de [6]) ... 16
Tabela 4 - Dados Antropométricos. (Adaptado de [24]) ... 27
Tabela 5 - Percentagem da massa corporal dos segmentos. (Adaptado de [25])... 28
Tabela 6 - Importância Relativa das Funções ... 32
Tabela 7 – Ordenação de funções por importância relativa ... 32
Tabela 8 - Análise de valor das soluções para o ajuste do raio ... 36
Tabela 9 - Análise de valor das soluções de ajuste de inclinação ... 39
Tabela 10 - Análise de valor das soluções de ajuste da horizontalidade do módulo superior... 40
Tabela 11 - Ajuste de Altura ... 41
Tabela 12 - Análise de valor das soluções de ajuste de altura ... 42
Tabela 13 - Análise de valor das soluções para base extensível ... 44
Tabela 14 - Análise de valor das soluções para aplicação a camas hospitalares. ... 46
Tabela 15 - Análise de valor das soluções para aplicação do módulo superior ... 48
Tabela 16 - Análise de valor das soluções de ajuste de largura do pedal ... 50
Tabela 17 - Análise de valor das soluções de variação de resistência mecânica. ... 52
Tabela 18 - Análise de valor das soluções para conjugação dos módulos. ... 53
Tabela 21 – Lista de componentes da vista explodida 1... 84 Tabela 22 - Lista de componentes vista explodida 2... 85 Tabela 23 - Lista de componentes vista explodida 3... 86
Símbolo Unidade S.I Equação Descrição
N N 1 Força de Reação Normal
𝐹𝑎 N 1;3 Força de Atrito
𝐹𝑐 N 4 Força de Contacto
F N 2;3;4;7;17;18 Força Aplicada
µ - 1;4 Coeficiente de Atrito
µ𝑒𝑠𝑡 - Coeficiente de Atrito Estático
µ𝑑 - Coeficiente de Atrito Dinâmico
𝜔𝑎; 𝜔𝑏 rad/s Velocidade Angular
T N.m 2;3;4;5;9 Binário
r m 2;3;4 Raio
D m 5 Diâmetro
𝐹1 N 5 Força 1
𝐹2 N 5 Força 2
𝜏𝑖 Pa 6 Pré-tensão Inicial da Mola
C - 6 Índice de Mola
𝜎𝑢𝑡 Pa 6 Tensão de Rotura
𝜎 Pa 7 Tensão Normal
𝐾𝑡 - 7 Fator de Concentração de Tensões
𝐷 m 7;8 Diâmetro da mola
𝜏 Pa 8 Tensão de corte
𝑘𝑚 - 9 Constante de binário do motor
𝐼𝑅 A 9 Intensidade de corrente no rotor
𝑃𝑃 W 10;15 Potência de projeto
𝑃𝑁 W 10;15 Potência nominal
𝑓𝑠 - 10;15 Fator de serviço
i - 11;12 Relação de transmissão
𝑑1 m 11;12;13;16 Diâmetro da polia motora
𝑑2 m 11;12;13;16 Diâmetro da polia movida
𝑛1 rpm 11 Velocidade de rotação da polia motora
𝑛2 rpm 11 Velocidade de rotação da polia movida
L mm 13;14 Comprimento primitivo da correia
C mm 13;14 Distância entre eixos
𝐶𝑒 mm 14;16 Distância entre eixos efetiva
𝐿𝑁 mm 14 Comprimento de correia normalizado
Z - 15 Número de estrias 𝑐1; 𝑐2 - 15 Fator de correção 𝑅𝐴 N 17 Reação em A 𝑅𝐵 N 17 Reação em B 𝑀𝑓 N.m 18;19;20 Momento fletor d mm 19;20 Diâmetro do veio
𝑀𝑇 N.m 19;20 Momento torsor
𝑆𝑒 Pa 20 Tensão limite de fadiga
𝑆𝑒′ Pa 21 Tensão limite de fadiga
𝑘𝑎 - 21 Coeficiente de acabamento superficial
𝑘𝑏 - 21 Coeficiente de tamanho
𝑘𝑐 - 21 Coeficiente de fiabilidade
1.
Introdução
A dissertação de Mestrado aqui apresentada e com o título “Conceção, Projeto e Desenvolvimento de um Dispositivo tipo cycling para Reabilitação de Membros Inferiores e Superiores” é realizada no âmbito do projeto final do Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Mecânica.
A reabilitação, que teve o seu grande impulso no século XX devido às grandes guerras, é um processo global e dinâmico orientado para a recuperação física e psicológica da pessoa portadora de deficiência, tendo em vista a sua reintegração social. Por sua vez, a reabilitação pretende tratar ou atenuar as incapacidades causadas por doenças crónicas, sequelas neurológicas ou lesões derivadas da gestação e do parto, acidentes de trânsito e de trabalho [1].
Dados referentes ao ano de 2005, demonstram que 60% do número total de mortes da população mundial se deveu às doenças cronicas [2]. A contínua melhoria das condições de vida, os avanços médico-cirúrgicos e a generalização dos cuidados de saúde levaram ao aumento da esperança media de vida. Paralelamente a este crescimento, também o número de doenças crónicas frequentemente incapacitantes aumentou [1].
As tromboses, uma das doenças crónicas mais comuns, são causas primárias de desordens físicas crónicas na locomoção. Os indivíduos que padecem desta doença apresentam várias modificações no desempenho motor, demonstrando principalmente, fraqueza muscular e paralisia, bem como um deficiente controlo motor. Após o trauma, o sistema nervoso central é continuamente remodelado desde a fase aguda até às fases subsequentes de reorganização cerebral, em resposta à atividade física e comportamento dos sujeitos. Durante esta fase, é fundamental realizar uma intensiva reabilitação neuro-motora orientada à tarefa e endereçada à prevenção de uma postura anormal, envolvendo o treino do desempenho muscular e a reaprendizagem de habilidades motoras [3].
No seguimento desta ideia, existem diversos tipos de equipamentos de reabilitação, mas no âmbito deste projeto o estudo concentra-se nos equipamentos de reabilitação tipo cycling.
1.1.
Objetivos
Esta dissertação tem como objetivo projetar um equipamento de reabilitação tipo cycling. Pretende-se criar uma solução que agrupe as vantagens dos diferentes tipos de equipamentos de reabilitação existentes no mercado. Juntamente a este objetivo, pretende-se também que o equipamento desenvolvido seja de baixo custo e de simples manuseamento sem prejudicar a sua viabilidade.
Este equipamento deverá ainda apresentar a possibilidade de ser utilizado por pessoas acamadas.
1.2.
Motivação
Os equipamentos de reabilitação tipo cycling existentes no mercado são equipamentos que necessitam de um grande investimento por parte do utilizador. Sendo estes equipamentos fundamentais numa correta recuperação física e psicológica dos indivíduos com deficiência motora, a principal motivação deste projeto passa por desenvolver um equipamento que reabilite os indivíduos de igual forma aos equipamentos existentes, mas com a necessidade de um investimento menor e desta forma possibilitar uma correta reabilitação a indivíduos com menor recursos financeiros.
1.3.
Estrutura da Dissertação
O presente projeto de dissertação está dividido em introdução, estado da arte, desenvolvimento conceptual, projeto de detalhe, componentes e conclusão. O primeiro capitulo referente á introdução é um capítulo introdutório, no qual se pretende contextualizar o tema da dissertação e dar a conhecer o trabalho que irá ser desenvolvido.
No segundo capítulo é feita uma revisão bibliográfica sobre temas considerados pertinentes para a execução deste projeto. Assim, o Capítulo 2 apresenta o estudo relativo aos equipamentos existentes no mercado, a elementos de resistência mecânica, bem como o estudo dos dados antropométricos da população.
No terceiro capítulo é apresentado o desenvolvimento concetual. Neste é descrito todo o caminho percorrido desde o estabelecimento de requisitos até a apresentação da solução concetual.
No quarto capítulo é realizada a parte do projeto de detalhe. Neste capítulo apresenta-se em detalhe o dimensionamento analítico do sistema de transmissão, bem como do veio de transmissão. Para além do dimensionamento analítico, este capítulo apresenta o estudo das deformações e tensões realizadas aos componentes considerados críticos através do software SolidWorks. Para finalizar este capítulo apresenta-se ainda o estudo referente ao centro de massa do equipamento.
No quinto capítulo é possível visualizar através de vistas explodidas os componentes pertencentes ao equipamento. Para além disso, neste capítulo descreve-se as instruções de utilização do equipamento.
Por fim, no sexto capítulo são apresentadas as conclusões do trabalho efetuado e sugestões para um trabalho futuro.
2.
Estado da Arte
2.1.
Equipamentos Existentes
Com o intuito de melhorar a qualidade de vida dos indivíduos incapacitados fisicamente é necessário realizar uma correta e regular reabilitação. Com este objetivo, ao longo dos anos têm sido desenvolvidos vários equipamentos de reabilitação, nomeadamente equipamentos tipo cycling, que são o género de equipamentos abordados neste projeto. Inicialmente, este tipo de equipamentos só poderiam ser usados em indivíduos que detivessem alguma força física, isto é, numa fase mais terminal da sua reabilitação.
Com o objetivo de melhorar a recuperação física, percebeu-se que era fundamental realizar uma melhor reabilitação numa fase mais inicial, nas quais os indivíduos ainda não possuem força física. Desta necessidade e devido ao consequente avanço tecnológico na área médica, surgiu o conceito de treino ativo e treino passivo. O treino passivo corresponde ao treino em que o utilizador não necessita de realizar qualquer esforço para movimentar o equipamento, sendo todo este esforço assumido por uma fonte externa. No caso do treino ativo, a fonte já não realiza qualquer tipo de esforço, sendo por sua vez este esforço inteiramente realizado pelo utilizador. Os equipamentos atuais permitem ainda um treino assistido, em que a fonte atua sempre que se ultrapassa os valores mínimos de determinados parâmetros previamente definidos, como a velocidade de rotação, a potência de saída, entre outros.
Neste sentido, têm sido desenvolvidos equipamentos tipo cycling que permitem ao profissional de saúde tratar simultaneamente mais do que um paciente, visto que os equipamentos possuem programas de reabilitação, e ao mesmo tempo permitem realizar uma reabilitação mais efetiva. Além destas caraterísticas, estes equipamentos não necessitam de ser utilizados obrigatoriamente por profissionais de saúde, podendo ser utlizados pelos utentes nas suas próprias casas.
Nas pesquisas efetuadas, encontraram-se algumas marcas que desenvolvem este tipo de equipamentos para reabilitação de membros superiores e inferiores, bem como equipamentos do mesmo género desenvolvidos para melhorar a performance dos desportistas. De encontro ao
2.1.1.
Thera-Trainer
Os equipamentos Thera-Trainer encontram-se divididos em equipamentos de uso profissional e em equipamentos de uso doméstico, sendo que a diferença entre os mesmos reside na unidade de controlo e de exibição. Ignorando a diferença de software pode-se observar que os equipamentos são semelhantes na sua estrutura física. A marca Thera-Trainer possui vários modelos de equipamentos tipo cycling. Esta variedade de equipamentos deve-se ao fato de esses equipamentos serem modulares, o que permite consoante as necessidade do utilizador obter desde equipamentos simples Trainer Tigo 502) até equipamentos mais complexos (Thera-Trainer Tigo 510), como demonstrado na Figura 1.
a) b)
Figura 1: a) Thera-TrainerTigo 502; b) Thera-TrainerTigo 510. (Adaptado de [4])
Assim, o modelo em questão pode ser composto apenas pelo módulo de reabilitação de membros inferiores (ex: Thera-Trainer Tigo 502), pelos módulos de reabilitação de membros inferiores e superiores (ex: Thera-Trainer Tigo 510), ou ainda apenas pelo módulo de reabilitação de membros superiores (ex: Thera-Trainer Veho 512), este modelo corresponde ao modelo apresentado na Figura 2.
2.1.1.1.
Módulo de Reabilitação de Membros Superiores
No caso de reabilitação de membros superiores, o módulo pode ser conjugado com um módulo de reabilitação de membros inferiores (ex: Thera-Trainer Tigo 510) ou ter simplesmente um módulo de apoio sem nenhuma função de reabilitação (ex: Thera-Trainer Veho 512). Em ambos os casos, o módulo em questão está representado na Figura 3.
Figura 3 - Módulo de Reabilitação de Membros Superiores. (Adaptado de [5])
Este módulo contém a capacidade de permitir vários ajustes, de modo a tornar a sua utilização o mais confortável possível, isto é, permitir ao utilizador realizar o exercício com os braços na devida posição e concretizar uma correta recuperação. Na Figura 4 apresentam-se os diferentes ajustes, nomeadamente, o ajuste da altura (Figura 4 a)), o ajuste da inclinação (Figura 4 b)) e por fim, o ajuste da distância horizontal do módulo de reabilitação dos membros superiores (Figura 4 c)).
a) b) c)
Figura 4: a) Variação de altura; b) Variação de inclinação; c) Variação da distância horizontal (direita). (Adaptado de [5])
Além destes ajustes, os manípulos podem ainda ser ajustados em termos de raio (75 ou 110 mm) e a tipologia dos manípulos altera consoante as necessidades e as limitações do utilizador. A Tabela 1 apresenta os diferentes manípulos e a respetiva aplicação.
Tabela 1 – Manípulos de diferentes utilidades. (Adaptado de [5])
Nome Imagem Descrição/Aplicação
Grip Adapter
Manípulo fixo, não permite a realização de exercício. Utilizado durante o uso do módulo inferior, como barra de apoio.
Therapy grip
Permite a realização de exercício, quando o paciente é capaz de segurar este de forma firme.
Wristbands
Realização de exercício quando o utilizador tem a mão paralisada ou pouca força na mão.
Apoios de Braço
Realização de exercício quando o utilizador apresenta sintomas de: - Paralisia; - Espasmos; - Contraturas; - Hipertonia Muscular; - Deformidades Musculares.
Este módulo além de todas estas funcionalidades e possíveis acessórios é constituído por um motor elétrico de 100 W que permite ao utilizador alternar entre as opções de treino passivo e treino ativo.
2.1.1.2.
Módulo de Reabilitação de Membros Inferiores
No caso do módulo de reabilitação de membros inferiores, se o utilizador não necessitar do módulo de reabilitação de membros superiores, este pode tomar uma forma bastante simples sem qualquer tipo de modelo conjugado (ex: Thera-Trainer Tigo 528), mas por outro lado, pode ser conjugado com o módulo superior que apenas serviria como barra de apoio para as mãos (ex: Thera-Trainer Tigo 502), como apresentado na Figura 5 a) e b), respetivamente. Como referido anteriormente, no caso de o equipamento ser composto por módulo de reabilitação de membros superiores e inferiores, adapta-se o grip adapter no módulo superior para este funcionar como barra de apoio aquando a utilização do módulo inferior.
a) b)
Figura 5: a) Thera-Trainer Tigo 528; b) Thera-Trainer Tigo 502. (adaptado de [4])
De modo a satisfazer um maior número de utilizadores, as pedaleiras possuem diferentes acessórios. Dependendo das condições do utilizador estas podem ser bastante simples, utilizando simplesmente um velcro para segurar o pé ou usando uma pequena almofada para o fixar. No caso do sistema com almofada, este permite que seja o próprio utilizador a fixar o pé e impede o aparecimento de marcas de pressão, além de poder ser lavável.
Em conjugação com este sistema, nos casos em que o utilizador apresente paralesia, espasticidade ou força fisica insugiciente, é obrigatório o uso de um sistema de imobilização para as pernas, tal como o apresentado na Figura 7.
Figura 7 - Sistema de fixação de pernas. (Adaptado de [5])
Além destas questões de segurança, o veio responsável pela ligação do pedal à roda movida pode ser de raio fixo (110 mm), com ajuste entre dois raios (75 ou 110 mm) ou de ajuste variável (65 a 115 mm).
Na base deste módulo, encontra-se um motor elétrico de 240 W com um binário variável entre 2 a 22 N.m e permite obter uma rotação máxima de 60 rpm aquando o funcionamento em treino passivo. [6]
2.1.1.3.
Base de Suporte
Nos modelos Thera-trainer, estes podem ser constituídos por dois diferentes tipos de base. Uma base plana, unicamente utilizada no modelo Thera-Trainer Tigo 528, equipamento composto apenas por módulo de reabilitação de membros inferiores, ou por uma base com rodas, como demonstrado na Figura 8.
a) b)
A base destes equipamentos é extensível (máximo de extensão – 120 mm) de modo a melhorar a estabilidade aquando a reabilitação dos membros superiores. A base com rodas, por sua vez, facilita o transporte do equipamento.
2.1.1.4.
Unidade de Controlo e Exibição
Como já referido anteriormente, a unidade de controlo e exibição estabelece a diferença entre um uso profissional ou um uso doméstico. Por uso profissional, entenda-se o uso destes equipamentos em centros hospitalares, centros de reabilitação, entre outros. Assim a Thera-trainer apresenta três tipos de unidades de controlo.
Tabela 2 - Unidade de controlo e exibição. (Adaptado de [5])
Unidade de Controlo e Exibição de pequena dimensão de 2,7” (51x40mm) com ecrã a cores.
Formato Ergonómico.
Unidade de Controlo e Exibição de 5,7” (115x86mm) com ecrã a cores e de alta resolução.
Permite obter biofeedback em forma de ilustrações/gráficos.
Unidade de Controlo e Exibição de 10,4” (211x158mm) com ecrã a cores e tecnologia touchscreen.
Oferece biofeedback em ilustrações complexas TFT de alta qualidade.
2.1.2.
MOTOMed
A marca MOTOMed apresenta diferentes soluções relativamente à reabilitação de membros superiores e inferiores. No sentido dos equipamentos tipo cycling, esta marca apresenta o Motomed viva, gracile, stativ, letto e duplex, como apresentado na Figura 9.
a) b) c) d)
Figura 9: a) MotoMed viva1; b) MotoMed viva2; c) MOTOmed gracile; d) MOTOmed Letto. (Adaptado de [6])
2.1.2.1.
MOTOMed Viva
O modelo MotoMed Viva divide-se em dois modelos o MotoMed Viva1 e o MotoMed Viva2. Apesar desta divisão o motor utilizado nos modelos é idêntico, este permite obter uma velocidade de rotação máxima de 60 rpm e um binário variável entre 1 a 17 Nm. O modelo básico destes equipamentos é composto apenas por módulo de reabilitação de membros inferiores (Figura 10).
a) b)
Figura 10: a) MotoMed Viva1; b) MOTOmed Viva2. (Adaptado de [6])
A principal diferença entre estes modelos reside na unidade de controlo e de exibição, que como se verifica é mais avançada no modelo MotoMed Viva2. Além desta diferença, o modelo MotoMed Viva2 é composto por uma barra de apoio.
Ambos os modelos permitem a ligação com um módulo de reabilitação de membros superiores, como demonstrado na Figura 11.
a) b)
Figura 11: a) Módulo de Reabilitação de Membros Superiores para MotoMed Viva1; b) para MOTOmed Viva2. (Adaptado de [6])
Este módulo possui rotação sobre o eixo vertical, de modo a permitir ao utilizador alternar entre a barra de apoio, necessária aquando a utilização do módulo dos membros inferiores e a parte responsável pela reabilitação dos membros superiores. Além da possibilidade de rotação, é composto por um braço telescópico que permite ajustar a distância horizontal dos braços em relação ao módulo, como exemplificado na Figura 12.
Figura 12 - Movimento de rotação e ajuste horizontal. (Adaptado de [6])
2.1.2.2.
MOTOMed Stativ
O modelo MotoMed Stativ caracteriza-se por ser composto apenas por módulo de reabilitação de membros superiores, este módulo é idêntico ao anteriormente descrito possuindo assim as mesmas características. Tal como o modelo MotoMed Viva, o MotoMed Stativ está dividido em dois modelos, a diferença entre estes reside igualmente na unidade de controlo e exibição. Assim sendo, apresenta-se na Figura 13 o MotoMed Stativ1 e Stativ2.
a) b)
Figura 13: a) MotoMed Stativ1; b) MOTOmed Stativ2. (Adaptado de [6])
Neste campo, existe ainda um módulo que apenas permite realizar treino ativo, isto é, durante a reabilitação não existe nenhuma força externa a auxiliar o movimento. Este tipo de módulo é apenas indicado para indivíduos que já possuam alguma força física, isto é, indivíduos que se encontrem numa fase mais avançada da reabilitação.
2.1.2.3.
MOTOMed Duplex
Este modelo foi o único modelo, encontrado na pesquisa bibliográfica, que permite realizar treino passivo para os membros superiores e para os membros inferiores simultaneamente. Com este propósito, este modelo é composto por duas unidades de controlo independentes, uma responsável por definir os parâmetros de reabilitação para os membros superiores e outra para definir os parâmetros de reabilitação para os membros inferiores.
2.1.2.4.
MOTOMed Viva2 Parkinson
Este modelo surgiu após vários estudos comprovarem que um movimento rápido de reabilitação tipo cycling (entre 80 a 90 rpm) reduziria os sintomas de Parkinson, tais como o rigor, tremores e falta de movimento. Assim, apesar de a estrutura física não sofrer nenhuma alteração, a única diferença que se encontra em relação aos outros modelos corresponde à parte mecânica, mais precisamente ao motor. Enquanto nos outros modelos é permitido um treino passivo até um máximo de 60 rpm, neste modelo em especial o utilizador pode realizar treino passivo até um máximo de 90 rpm.
2.1.2.5.
MOTOMed Including FES ( Functional Electrical Stimulation)
O modelo MotoMed including FES (functional electrical stimulation) foi especialmente desenvolvido para utilizadores com paralisia nos membros superiores e/ou nos membros inferiores, ver Figura 15. Este modelo através da estimulação elétrica dos músculos permite ao utilizador realizar treino ativo, restituindo desta maneira a força e a massa muscular e evitando o aparecimento de doenças secundárias.
Figura 15 - MotoMed including FES. (Adaptado de [8])
2.1.2.6.
MOTOMed Letto
Este modelo é capaz de realizar reabilitação por treino ativo e/ou passivo a membros inferiores e superiores. Mas, ao contrário dos modelos anteriores em que é exigido ao individuo que se coloque numa cadeira ou numa cadeira de rodas para realizar a reabilitação, este modelo é dedicado aos indivíduos acamados, isto é, pessoas sem a capacidade física de manter uma postura correta na posição de sentado. Tal como os modelos anteriores, devido à diferença
existente na unidade de controlo e exibição, este encontra-se repartido em dois modelos diferentes o MotoMed Letto1 e Letto2, como apresentado na Figura 16.
a) b)
Figura 16: a) MotoMed Letto1; b) MOTOmed Letto2. (Adaptado de [6])
2.1.2.7.
Acessórios MOTOMed
Tabela 3 - Acessórios MOTOmed. (Adaptado de [6])
Nome Imagem Designação Modelos
Guias de Perna
Em caso de paralisia nas pernas, sistema que permite imobilizar as mesmas. Altura ajustável desde 90 até 160 mm.
Viva1 Viva2
Barra de Apoio
Apoio de mãos, aquando a realização de reabilitação de membros inferiores.
Viva1
Fixação de Pés
Permite ao utilizador, ser ele próprio a fixar os pés.
Viva1 Viva2
Ajuste do Raio do
Pedal
Permite a alteração do raio do pedal, entre 4 níveis (51/74/99/124 mm) Viva1 Viva2 Ajuste do Raio do Manípulo
Permite a alteração do raio do pedal, entre 4 níveis (60/80/115/130 mm)
Viva1 Viva2
Movimento Síncrono
Permite o movimento síncrono dos braços e mãos Viva1 Viva2 Apoio de Braços / Mãos
Posição e fixação simples dos braços. Viva1 Viva2
Posição e fixação dos braços e mãos. Recomendado para tetraplégicos.
Viva1 Viva2
Recomendado para pacientes com força moderada nas mãos.
Viva1 Viva2
Fixação simples e rápida, para utilizadores com paralisia nas mãos.
Viva1 Viva2
2.1.3.
Tzora
Na área de reabilitação de membros superiores e inferiores através de equipamentos tipo cycling, a produtora Tzora apresenta diferentes equipamentos que permitem a realização de treino ativo e passivo por parte dos utilizadores. Nomeadamente o active passive trainer apt1, active passive digital trainer apt5 e I-motion. Tal como nos equipamentos até agora descritos, estes modelos possuem um conjunto de acessórios idênticos aos anteriormente descritos, daí que na descrição destes modelos não se procedeu à descrição dos acessórios.
2.1.3.1.
Active Passive Trainer APT1
Este equipamento pode ser utilizado na reabilitação de membros superiores ou inferiores, através de treino passivo (ajuste entre 5 velocidades) e treino ativo (ajuste entre 5 níveis de resistência). No entanto, ao contrário dos outros equipamentos já estudados, este possui um único módulo capaz de realizar a reabilitação de membros superiores ou inferiores, sendo apenas necessário acoplar os pedais ou os manípulos consoante a intenção de utilização, como apresentado na Figura 17.
a) b)
Figura 17: a) Active Passive Trainer APT1 para membros superiores; b) para membros inferiores. (Adaptado de [9])
Como se pode concluir observando a Figura 17, no que diz respeito à reabilitação de membros superiores é necessário colocar o equipamento á altura dos membros superiores, como por exemplo sobre uma mesa, enquanto no caso dos membros inferiores basta simplesmente apoiar o equipamento sobre o chão.
Figura 18 - Stand Hi-Lo. (Adaptado de [9])
2.1.3.2.
Digital Active Passive Trainer APT5
O digital active passive trainer APT5 apresenta em relação ao anterior uma melhoria na unidade de controlo e exibição. Em comparação com o modelo anterior, este modelo é em tudo semelhante (incluindo os acessórios), apresentado uma unidade de controlo mais avançada e uma capacidade de realizar treino passivo numa maior gama de velocidades, como apresentado na Figura 19.
a) b)
Figura 19: a) Unidade de Controlo APT1; b) Unidade de Controlo APT5. (Adaptado de [9])
2.1.3.3.
I-Motion
O equipamento I-Motion é designado pela Tzora como um equipamento ideal para utilização em hospitais, centros de reabilitação e clínicas de fisioterapia. Este equipamento possui uma estrutura física semelhante aos equipamentos da Thera-Trainer e da MotoMed, mas apresenta duas versões. Uma das versões permite ao utilizador realizar a reabilitação a partir da sua cadeira de rodas, enquanto a outra versão incorpora uma cadeira que permite o ajuste em termos de altura, bem como a distância horizontal da cadeira ao equipamento, como demonstrado na Figura 20.
a) b)
Figura 20: I-motion com cadeira a); com cadeira de rodas b). (Adaptado de [9])
2.2.
Elementos de Resistência Mecânica
No desenvolvimento deste projeto demonstrou-se fundamental o estudo de diferentes elementos mecânicos capazes de permitir uma variação de resistência mecânica. No seguimento deste trabalho, os elementos mecânicos a serem estudados referem-se a rodas de atrito, freios de cinta e molas. Os dois primeiros elementos descritos tem como base de funcionamento o atrito gerado entre duas superfícies, no caso das rodas de atrito, o atrito gerado entre a superfície das rodas e no caso do freio de cinta, o atrito gerado entre a cinta e o tambor. Sendo assim, torna-se necessário compreender o que é o atrito e a diferença entre atrito estático e atrito dinâmico.
Por atrito, entenda-se como a componente horizontal da força de contato entre dois corpos que entram em choque e há tendência ao movimento. A força de atrito é gerada pela asperidade dos corpos e é sempre paralela às superfícies em interação e com sentido contrário ao movimento relativo entre eles [10]. De modo a clarificar esta ideia, atente-se na Figura 21, onde,
N – Força de Reação Normal; Fa – Força de Atrito;
Fc – Força de Contato;
A força de contato é simétrica em sentido e intensidade em relação à força de reação normal. Por conseguinte, o aumento da força de contato provoca o aumento da força de reação normal. Por outro lado, a força de atrito depende da força normal e do coeficiente de atrito (µ) entre as duas superfícies de contato, sendo a relação entre as duas forças dada pela equação 1,
𝐹𝑎 = 𝜇 × 𝑁 (1)
No entanto, o coeficiente de atrito não depende apenas das superfícies em contato. O coeficiente de atrito encontra-se dividido em dois tipos, o atrito estático (𝜇𝑒𝑠𝑡) e o atrito dinâmico (𝜇𝑑).
Atrito estático é aquele que atua quando não há deslizamento dos corpos, isto é, os corpos estão em repouso mas na iminência de começar o movimento. A força de atrito estático máxima é igual à força mínima necessária para iniciar o movimento de um corpo. Atrito dinâmico é aquele que atua quando há deslizamento dos corpos, ou seja, quando a força de atrito estática é ultrapassada [11].
2.2.1.
Rodas de Atrito
As rodas de atrito normalmente são utilizadas como elementos de transmissão de movimento, mas por outro lado podem ser utilizadas como sistema de travagem. Neste projeto interessa o estudo das rodas de atrito na componente de criar resistência mecânica ao movimento realizado pelo utilizador. As rodas de atrito consistem em duas rodas em contato podendo os seus veios serem paralelos ou concorrentes e a sua relação de transmissão não deve ultrapassar uma razão de 6 [12] [13]. Na Figura 22, apresenta-se o esquema de forças presente neste tipo de sistema.
Na Figura 22 considere-se a roda A como a roda movida e a roda B como a roda motriz. A força F é a força gerada através do binário aplicado na roda motriz e a força de atrito é a reação da existência de contato entre as superfícies.
No caso de a força de atrito ser nula, implica que a força de contato seja igualmente nula, o que quer dizer que as superfícies não se encontram em contato e não existe resistência ao movimento. Porém, quando a força de contato começa a tomar valores maior que zero, a força de atrito reage proporcionalmente segundo a equação 1.
No estudo do caso especifico de se manter o binário constante e de se variar a força de contato entre as superfícies, numa fase inicial em que não existe contato, sabemos que o binário transmitido é dado pela equação 2,
𝑇 = 𝐹 × 𝑟 (2)
No entanto, numa fase em que as rodas contatam entre si, surge a força de atrito com sentido inverso ao sentido da força F. Reformulando a equação 2, obtém-se a seguinte equação,
𝑇 = (𝐹 − 𝐹𝑎) × 𝑟 (3)
Empregando a equação 1 na equação anterior, obtém-se o binário em função da força de contato,
𝑇 = (𝐹 − 𝜇 × 𝐹𝑐) × 𝑟 (4)
Com o intuito de manter o binário constante, apesar da variação da força de contato, através da análise das equações anteriormente apresentadas pode-se concluir, que a força F varia proporcionalmente com a força de contato, o que permite no caso específico da reabilitação de membros superiores ou inferiores a realização de um esforço mais ligeiro ou mais duro por parte do utilizador.
2.2.2.
Freio de Cinta
Freios são mecanismos de atrito usados para regular o movimento dos corpos, reduzindo-lhes a marcha, mantendo as suas velocidades constantes ou mantendo-os em repouso, através da capacidade de absorver energia cinética e dissipar esta sobre a forma de calor [14] [15].
Atualmente existem vários tipos de freios, como por exemplo, os freios de tambor, de cinta, de disco e cónicos. No entanto, no interesse deste projeto apenas se vai proceder ao estudo dos freios de cinta.
Neste tipo de freios o tambor que se pretende imobilizar ou simplesmente ao qual se pretende oferecer alguma resistência ao movimento, é envolvido por uma cinta (a vermelho na figura), que normalmente é composta por uma cinta de aço ou por uma cinta forrada de um lado com couro, blocos de madeira ou por um material composto por amianto. A cinta tem normalmente uma das extremidades fixa, enquanto a outra extremidade está sujeita à aplicação de uma força, como exemplificado na Figura 23 [16] [17].
Figura 23 - Freio de Cinta
De modo a criar resistência ao movimento a cinta necessita de estar em tensão e a força de atrito aplicada na cinta é dada pela diferença das forças. Assim, o binário de travagem é dado pela equação 5 [17]. 𝑇 = (𝐹1 − 𝐹2 ) × 𝐷 2 𝜔 𝐹2 𝐹1 (5)
2.2.3.
Molas de tração
As molas são elementos mecânicos projetados e construídos para sofrer deformações elásticas quando sujeitas a cargas. Devido às suas caraterísticas de resistir a temperaturas e à sua capacidade de deslizamento ou relaxamento sobre cargas, as molas na sua maioria são fabricadas a partir de metais e em casos de aplicação normal os metais comummente utilizados são os aços de alto teor de carbono (0,7 a 1 %) e as ligas de aço de médio teor de carbono, como o SAE 6150 e o SAE 8660. No caso de as molas necessitarem de propriedades especiais, estas podem ser construídas por outros materiais resilientes, tais como, borracha, cortiça, entre outros.
No caso especifico das molas de tração, as suas espiras são enroladas firmemente juntas segundo uma hélice cilíndrica ou cónica, por esta razão, antes da extensão da mola ocorrer é necessário vencer a pré-tensão inicial presente na mola. A pré-tensão inicial (𝜏𝑖) da mola é obtida através da equação 6 [17].
𝜏𝑖 = 0,6 ×𝜎𝑢𝑡 𝐶
Devido ao facto de este tipo de mola estar sujeita a forças de tensão, é fundamental que o fim da mola seja composto por um meio de transporte da carga, normalmente um gancho que pode apresentar as mais variadas configurações. Um exemplo de mola de tração está representado na Figura 24.
Figura 24 - Mola de Tração. (Adaptado de [18])
No dimensionamento de molas de tração é essencial ter em atenção as tensões de corte e as tensões normais nas zonas críticas. As zonas críticas correspondentes à tensão normal e à tensão de corte estão assinaladas como seção A e seção B, respetivamente, na Figura 25.
a) b)
Figura 25: a) Seção A; b) seção B. (Adaptado de [19])
A determinação da tensão normal máxima a que a seção A está sujeita, devido às forças axiais e ao momento de flexão, é dada pela equação 7.
𝜎 = 𝐹 [𝐾𝑡 ×
16𝐷 𝜋𝑑3 +
4 𝜋𝑑2]
Por outro lado, a tensão de corte máxima na seção B devido às forças de tração é determinada pela equação 8.
𝜏 = 𝐾𝑤 × 8𝐹𝐷 𝜋𝑑3
2.2.4.
Motor de Corrente Contínua
O motor de corrente contínua é um dispositivo eletromecânico composto por duas partes principais. Uma parte fixa denominada de estator e uma parte móvel denominada de rotor. O estator é composto pela carcaça (1), que suporta a máquina e que também serve para a circulação do fluxo indutor, pelos polos indutores (2), que conjuntamente com os enrolamentos de excitação (3) criam o fluxo magnético indutor principal, pelos polos de comutação, pelos enrolamentos de comutação (4), pelos enrolamentos de compensação, pelos porta-escovas e pelas escovas (5). Por sua vez, o rotor é composto pelo núcleo do motor (6), que tem forma cilíndrica e ranhuras no sentido do eixo onde são colocadas os enrolamentos do induzido (7) e é ainda composto pelo coletor (8), que é constituído por lâminas de cobre isoladas uma das outras e pelo veio (9), como exemplificado na Figura 26 [20].
(7)
Figura 26 - Vista esquemática de uma máquina de corrente contínua de 2 polos. (Adaptado de [21])
A rotação do veio realiza-se através da aplicação de uma tensão contínua no rotor. A tensão aplicada gera um campo magnético interno que impele a rotação do veio. O sentido de rotação pode ser horário ou anti-horário dependendo da polaridade de alimentação. A variação da tensão aplicada no rotor permite variar a velocidade de rotação, por outro lado, a variação da intensidade de corrente elétrica influência diretamente o binário produzido pelo motor, sendo esta relação dada pela equação 9 [22] [23].
𝑇 = 𝐾𝑚× 𝐼𝑟(𝑡) (9)
onde 𝐾𝑚 é a constante de binário do motor e 𝐼𝑟 é a intensidade de corrente no rotor. No entanto, os motores de corrente contínua apresentam diferentes intervalos de funcionamento de parâmetros como o binário e a velocidade. Por este motivo, o fabricante apresenta diagramas de funcionamento que apresentam os valores limites de funcionamento.
De modo a controlar os parâmetros de funcionamento existem os denominados controladores que se definem pela sua posição em relação ao motor e pelos parâmetros que podem controlar. Em termos de posição, estes podem ser integrados ou externos e em termos de parâmetros estes podem controlar a velocidade, o binário e/ou a posição.
1 2 3 4 5 7 1 5 6 8 9
2.3.
Dados Antropométricos
No desenvolvimento de equipamentos ergonómicos para utilização humana é essencial estudar os dados antropométricos da população. A Tabela 4 apresenta os dados, em milímetros, referentes ao estudo antropométrico da população americana.
Tabela 4 - Dados Antropométricos. (Adaptado de [24])
Percentis da População
Medida 5 50 95
Posição: de Pé
1. Extensão horizontal do Braço:
a. desde as costas 655 748 865 b. desde o ombro 575 650 745 c. desde o abdómen 485 611 745 2. Espessura da anca 181 220 258 3. Altura da cintura 910 1014 1130 4. Altura da tíbia 388 436 492 5. Altura do cotovelo 988 1107 1235 6. Altura do ombro 1266 1404 1564
7. Altura dos olhos 1442 1577 1723
8. Altura 1544 1680 1830
Posição: Sentado
9. Altura da coxa 108 135 165
10. Altura do cotovelo 184 236 289
11. Altura do ombro 545 600 665
12. Altura dos olhos 697 760 833
13. Altura 766 842 916
14. Altura do joelho 475 525 577
15. Comprimento da perna 947 1028 1114
16. Comprimento da coxa 537 584 633
17. Comprimento do cotovelo até ao punho 289 350 410
18. Comprimento do antebraço 289 350 410
19. Largura entre ombros 363 423 478
Pé
20. Comprimento 226 253 284
21. Largura 82 94 108
Para além de estudar as dimensões do corpo humano, no dimensionamento deste género de equipamentos é ainda fundamental conhecer a força aplicada no pedal/manípulo. No anexo E apresenta-se a tabela referente ao estudo do peso da população portuguesa, a partir da qual se pode concluir que 95% da população tem um peso igual ou inferior a 93 Kg. A Tabela 5 apresenta a distribuição em percentagem da massa total do corpo humano nos seus principais segmentos.
Tabela 5 - Percentagem da massa corporal dos segmentos. (Adaptado de [25])
Segmento Homens Mulheres Média
Cabeça 6,94% 6,68% 6,81% Tronco 43,46% 42,58% 43,02% Braço (x2) 4,33% (8,66%) 3,93% (7,86%) 4,13% (8,26%) Antebraço (x2) 1,62% (3,24%) 1,38% (2,76%) 1,5% (3%) Mão (x2) 0,61% (1,22%) 0,56% (1,12%) 0,585% (1,17%) Perna (x2) 18,49% (36,98%) 19,59% (39,18%) 19,04% (38,08%) Coxa (x2) 14,16% (28,32%) 14,78% (29,56%) 14,47% (28,94%) Pé (x2) 1,37% (2,74%) 1,29% (2,58%) 1,33% (2,66%) Total 100% 100%
A análise da Tabela 5 permitiu concluir que os membros inferiores representam em média 40,74% (20,37% cada) da massa total do corpo humano, enquanto os membros superiores correspondem em média a 9,43% (4,715% cada) da massa total do corpo humano.
3.
Desenvolvimento Conceptual
No desenvolvimento de qualquer projeto é fundamental, para o sucesso do mesmo, que o projeto respeite de forma ordenada diferentes fases, tais como, clarificação e estabelecimento dos objetivos do projeto, estabelecimento da estrutura de funções do produto, estabelecimento das especificações do produto, criação de soluções alternativas, avaliação das soluções alternativas e aperfeiçoamento dos detalhes [26].
A Figura 27 apresenta um esquema de modo a clarificar as fases de projeto anteriormente descritas.
Figura 27 - Fases de desenvolvimento do projeto
3.1.
Requisitos/Objetivos
A Figura 28 apresenta a árvore de objetivos do projeto. A árvore de objetivos permite clarificar e definir os objetivos e os meios para os atingir. O estabelecimento desses objetivos teve em atenção as necessidades pré-determinados pelas ORTHOS XXI e as necessidades identificadas no estudo de mercado realizado.
Necessidades Objetivos Funções Especificações
Criação de Soluções Seleção da Solução Ideal Dimensioname nto Desenhos Tecnicos
Figura 28 - Árvore de objetivos
3.2.
Funções
Na realização de qualquer projeto é extremamente importante definir precisamente as funções que o dispositivo deverá ser capaz de executar, de forma a clarificar e definir a orientação que as tarefas de trabalho devem seguir. Para além disso, é possível perceber o nível do problema, definindo-se um “limite” conceptual à volta das funções pré-estabelecidas [27].
Inicialmente definiu-se uma função global e posteriormente, essa função foi dividida em subfunções mais específicas. A função global deve ser interpretada como uma “caixa negra”, que converte determinadas entradas em saídas. As subfunções foram representadas por um diagrama de blocos, que liga as mesmas através de entradas e saídas, estabelecendo uma relação entre si.
Equipamento de reabilitação tipo "cycling" para membros
inferiores e superiores
Seguro
Estabilidade Resistência ao desgaste
Resistência mecânica Modular Fàcil de montar/desmontar
Pratico
Facil de usar Fàcil de regular Facil de transportar Leve Rodas Ergonómico Ajuste horizontal Ajuste Vertical Ajuste de Inclinação Raio de pedal/manípulo variavel Atrativo
Económico Processos e materiais normalizados Agradavel esteticamente
Versatil
Treino passivo/assistido Treino ativo
definido a reabilitação de membros superiores/inferiores, isto é, auxiliar o utilizador na reabilitação dos seus membros inferiores ou superiores. Esta função encontra-se dividida em subfunções. No caso especifico deste projeto, as subfunções passam por imobilizar o equipamento de reabilitação, de seguida imobilizar a cadeira/cadeira de rodas, adequar o equipamento de forma ergonómica ao utilizador, definir os parâmetros de reabilitação (binário, nível de resistência, velocidade de rotação, tempo) e, por fim, realizar o programa pré-definido.
Figura 29 - Diagrama de funções
No sentido de alcançar o estado final apresentado na Figura 29, descrevem-se em seguida as principais funções:
A. Ajuste do raio do pedal e manípulo, permite a adequação ergonómica do equipamento consoante as caraterísticas do utilizador;
B. Ajuste de inclinação, permite a adequação ergonómica do equipamento consoante as caraterísticas do utilizador;
C. Ajuste horizontalidade módulo superior, permite a adequação ergonómica do equipamento consoante as caraterísticas do utilizador;
D. Ajuste de altura, permite a adequação ergonómica do equipamento consoante as caraterísticas do utilizador;
E. Ajuste de largura de pedal, permite a adequação ergonómica do equipamento consoante as caraterísticas do utilizador;
F. Variação de velocidade, permite uma reabilitação progressiva, bem como, uma capacidade de abranger indivíduos com diferentes níveis de incapacidade física; G. Variação de resistência mecânica, permite uma reabilitação progressiva, bem como,
Paciente em cadeira de rodas/cadeira/
acamado
Equipamento de reabilitação de membros superiores e/ou
inferiores Paciente reabilitado Imobilização do equipamento Imobilização da cadeira de rodas/cadeira Adequação ergonómica do equipamento Seleção dos parâmetros de reabilitação Realização do programa de reabilitação
H. Alteração de manípulo, permite abranger indivíduos com diferentes tipos de incapacidade física;
I. Ajuste largura de manípulo, permite a adequação ergonómica do equipamento consoante as caraterísticas do utilizador;
De modo a perceber a importância relativa das funções, realizou-se uma comparação de pares de funções. Neste caso, na comparação de soluções atribuiu-se a classificação de 0, caso a função A apresenta-se menor importância que a função B, a classificação de 1/2 caso as funções demonstrassem importância equivalente e a classificação de 1, caso a função A fosse de maior importância que a função B. Neste sentido, apresenta-se a Tabela 6 que demonstra o resultado das comparações entre as funções.
Tabela 6 - Importância Relativa das Funções
Função A B C D E F G H I Total A - 1 1 1/2 1 0 0 1 1 5,5 B 0 - 0 0 0 0 0 0 1 1 C 0 1 - 1/2 1 0 0 0 1 3,5 D 1/2 1 1/2 - 1 0 0 1/2 1 4,5 E 0 1 0 0 - 0 0 0 1 2 F 1 1 1 1 1 - 1/2 1 1 7,5 G 1 1 1 1 1 1/2 - 1 1 7,5 H 0 1 1 1/2 1 0 0 - 1 4,5 I 0 0 0 0 0 0 0 0 - 0
0 – Menos Importante; 1/2 – Importância Equivalente; 1 – Mais Importante
De acordo com a Tabela 6, as funções relativas à variação de velocidade (F) e resistência mecânica (G) revelaram-se ser as funções mais importantes. Por outro lado, o ajuste de largura de manípulo (I) mostrou ser a função menos importante. A Tabela 7 apresenta a ordenação das funções, no sentido da função de maior importância para a de menor importância.
Tabela 7 – Ordenação de funções por importância relativa
3.3.
Especificações
Após o estabelecimento de funções a realizar pelo equipamento é necessário definir as especificações de projeto. Nesse sentido, e tendo em atenção o estudo realizado sobre os modelos da marca Thera-Trainer e MOTOmed e respetiva comparação dos modelos, apresentada no anexo A, definiram-se as seguintes especificações de funcionamento,
1. Base extensível em aproximadamente 120 mm, de modo a melhorar a estabilidade do equipamento no caso de utilização do módulo superior;
2. Adaptabilidade ergonómica, diferentes posições de ajuste em termos de, altura (no mínimo 6 posições diferentes), inclinação (no minino 3 posições diferentes), ajuste horizontal (variável em 130 mm) e raio do pedal/manípulo (variável entre 65 a 115 mm), de modo a abranger um vasto leque de pessoas com incapacidade; 3. Módulo superior com um peso inferior a 10 Kg, de modo a poder ser transportado facilmente;
4. Modelo completo com um peso inferior a 45 Kg;
5. Variação da velocidade de rotação até 60 rpm (em treino passivo) e diferentes níveis de resistência (10 a 15 níveis), de forma a criar diferentes possibilidades de treino;
6. Sistema de imobilização do equipamento;
7. Modelo equipado com rodas, de modo a facilitar o seu transporte;
8. Equipamento composto por módulos, de modo a permitir o utilizador selecionar os módulos que pretende;
9. Borrachas de suporte antiderrapante na base extensível para impedir o deslizamento do dispositivo durante o movimento;
10. Sistema de apoio de fixação/imobilização de membros superiores ou inferiores para o caso de pacientes com paralisia total;
11. Materiais utilizados de baixo peso e resistentes, de modo a facilitarem a deslocação do equipamento;
12. Sistemas de variação simples e práticos, de modo a permitir uma fácil e rápida alteração dos ajustes, bem como, uma rápida e fácil alteração dos manípulos; 13. Uso de componentes normalizados, de modo a diminuir custos;
3.4.
Soluções Propostas
No sentido de satisfazer todos os requisitos anteriormente apresentados e também com o intuito de melhorar alguns aspetos dos modelos estudados, desenvolveram-se várias soluções para as diferentes exigências. Nos próximos subcapítulos apresentam-se as diferentes soluções, com a respetiva explicação de funcionamento e uma breve comparação das mesmas. As soluções apresentadas podem também ser encontradas no mapa morfológico presente no anexo B. Antes de apresentar as soluções desenvolvidas, é necessário perceber que o equipamento desenvolvido foi dividido em dois módulos, o módulo para reabilitação dos membros inferiores e o módulo de reabilitação dos membros superiores, ou como denominado neste trabalho, módulo inferior e superior, respetivamente.
3.4.1.
Ajuste do Raio de pedal/manípulo
No desenvolvimento de soluções para este requisito apresentam-se dois grupos distintos, um grupo é composto por soluções que permitem o ajuste contínuo do raio do pedal, enquanto no outro grupo o ajuste é realizado de forma descontínua.
No caso do ajuste descontínuo, este permite o ajuste de 20 em 20 mm através de um parafuso, o que totaliza 5 posições de ajuste, que fixa o elemento que liga ao pedal com o componente que possui ligação à roda movida/motora, como demonstrado na Figura 30.
Figura 30 – Solução 1.
Por outro lado, no desenvolvimento de soluções para o ajuste contínuo, começou-se por desenvolver uma solução semelhante à existente no mercado (solução 2) e a partir desta obteve-se uma solução mais eficaz (solução 3).
reside na forma de aperto. Apesar de ambas realizarem o seu aperto através de um parafuso, na solução 3 existe um rasgo na barra com o intuito de aumentar a força de aperto. Além de melhorar a força de aperto, permite estabelecer de uma forma mais simples um raio màximo e minimo de utilização.
a) b) Figura 31: a) Solução 2; b) Solução 3.
Ainda no campo de ajuste do raio de pedais/manípulos desenvolveu-se uma outra solução. A solução 4 é mais complexa em termos de componentes, já que consiste no uso de um parafuso sem fim, como demonstrado na Figura 32. Assim, a rotação do parafuso sem fim, provoca uma translação e respectiva alteração do raio.
Figura 32 – Solução 4.
De modo a favorecer uma correta posição dos membros superiores e inferiores, a solução a ser desenvolvida apresentará uma escala numérica nos seus componentes, como exemplificado na Figura 33.
Figura 33 - Régua graduada
Contudo, após o desenvolvimento das soluções é necessário proceder à escolha da melhor solução. De modo a tornar esta decisão mais clara, estabeleceram-se critérios de avaliação com diferentes valores de ponderação e procedeu-se à avaliação das soluções. A Tabela 8 mostra a avaliação obtida para as diferentes soluções permitindo assim, concluir qual a solução mais bem cotada ((apresentada na Figura 31 b)). No entanto, neste requisito é necessário ter em atenção que as soluções devido à necessidade de utilização, podem dividir-se em uso particular e uso em centros, isto é, satisfazer as necessidades de apenas um paciente ou por outro lado, satisfazer as necessidades de diversos pacientes. Neste sentido e atendendo à alta classificação da solução da Figura 30, optou-se por selecionar as duas soluções. Sendo que, no caso de uso particular a solução mais adequada é apresentada na Figura 30 e no caso do uso em centros (hospitalares, lar de idosos) é apresentada na Figura 31 b).
Tabela 8 - Análise de valor das soluções para o ajuste do raio
Objetivos Relativo Peso
Parâmetro de
Desempenho Solução 1 Solução 2 Solução 3 Solução 4
Pont. Valor Pont. Valor Pont. Valor Pont. Valor
Segurança 0,333 Forma de Fixação 5 1,665 4 1,332 5 1,665 3 0,999
Prático 0,2 Simplicidade de Utilização 4 0,8 4 0,8 4 0,8 5 1
Uso Particular 0,25 Capacidade de Adaptação 4 1 0 0 0 Uso em Centros 0 5 1,25 5 1,25 5 1,25 Simples 0,15 componentes Número de 4 0,6 4 0,6 4 0,6 2 0,3
Produção 0,067 Processos de Fabrico 4 0,268 4 0,268 4 0,268 1 0,067
Total 1 4,065 3,982 4,315 3,549 1 – Muito mau; 2 - mau; 3 - mediano; 4 - bom; 5 – muito bom.
![Figura 26 - Vista esquemática de uma máquina de corrente contínua de 2 polos. (Adaptado de [21])](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dok_br/17691119.827533/52.892.318.582.109.385/figura-vista-esquemática-máquina-corrente-contínua-polos-adaptado.webp)
